Evolution — Die Chemie vom Ursprung

Wie und aus welchen Bausteinen entstand das erste Leben auf der Erde? Möglicherweise hilft bei der Beantwortung dieser Frage ein Blick ins All: Auf der Oberfläche von Kometen haben Wissenschaftler einfache organische Moleküle gefunden, die es auch auf der jungen Erde bereits gegeben haben könnte – entweder von vornherein oder etwa durch Meteoriteneinschläge. Der LMU-Chemiker Thomas Carell (IBB-Netzwerkmitglied) hat mit seinem Team nun gezeigt, dass unter Bedingungen, wie sie vermutlich auf der jungen Erde herrschten, aus diesen Molekülen komplexere Bausteine des Lebens entstehen können, und die entsprechenden Reaktionsmechanismen aufgeklärt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science. Damit Leben entstehen kann, müssen sich kleine Biomoleküle zu komplexen Strukturen zusammenschließen, die als Bausteine für erste Erbmoleküle oder Proteine dienen können. Welche kleinen organischen Moleküle auf der jungen Erde überhaupt vorkamen, ist weitgehend unbekannt. Neue Erkenntnisse dazu liefern Untersuchungen an Kometen wie 67/P/Churyumov-Gerasimenko: Das Landemodul Philae der europäischen Weltraumorganisation ESA sammelte Oberflächenstaub des Kometen, in dem Wissenschaftler insgesamt 16 einfache organische Verbindungen nachweisen konnten. Wichtige Komponenten waren neben Wasser und Kohlenmonoxid insbesondere stickstoffhaltige Verbindungen, unter anderem Methanamid und Blausäure. ​„Wir haben nun untersucht, wie aus diesen sehr einfachen Substanzen unter Bedingungen, wie sie wahrscheinlich auf der jungen Erde geherrscht haben, komplexe Bausteine des Lebens entstehen können, vor allem RNA“, sagt Carell. RNA kann erste biochemische Reaktionen und ihre eigene Synthese katalysieren und ist gleichzeitig in der Lage, genetische Informationen zu speichern. Tatsächlich gelang es den Wissenschaftlern, mit dem sogenannten FaPy-Weg einen Reaktionsmechanismus zu finden, der unter präbiotischen Bedingungen die Bildung komplexer Purine möglich macht. Diese Moleküle sind sowohl wichtige Komponenten der Erbmoleküle RNA und DNA, als auch essenzielle Bausteine der Moleküle ATP und GTP, die für den Energiehaushalt der Zelle wichtig sind. Der FaPy-Weg basiert auf der Reaktion von Methanamid mit ringförmigen Stickstoffverbindungen, die im Wesentlichen durch den Zusammenschluss von Blausäure-Molekülen entstehen. Dabei werden sogenannte Formamidopyrimidine gebildet, nach denen die Wissenschaftler den FaPy-Pfad benannten. In weiteren Reaktionsschritten entstehen aus diesen Molekülen dann die Purine Adenin und Guanin sowie deren Derivate. ​„Die Gesamt-Purin-Ausbeute beträgt bei FaPy über 70 Prozent, wovon etwa 20 Prozent auf Adenosin entfallen, einen wichtigen RNA-Baustein. Mit FaPy haben wir daher einen Weg entdeckt, durch den gezielt und mit einer hohen Ausbeute zentrale Bausteine des Lebens entstehen“, betont Carell. ​„Damit liefert FaPy ein wissenschaftlich fundiertes Szenario, wie auf der Erde der Prozess der chemischen Evolution bis zur Entstehung der ersten Zellen abgelaufen sein könnte.“

Originalpublikation

A high-yielding, strictly regioselective prebiotic purine nucleoside formation pathway. Sidney Becker,* Ines Thoma,* Amrei Deutsch, Tim Gehrke, Peter Mayer, Hendrik Zipse, Thomas Carell. Science 2016, DOI: 10.1126/science.aad2808 Quelle: idw/​LMU